Captate onde gravitazionali da un oggetto misterioso nello spazio

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Dalle onde gravitazionali il segnale che indica un oggetto misterioso presente nello spazio

Era l’agosto del 2019, quando la rete di onde gravitazionali LIGO-Virgo ha assistito alla fusione di un buco nero con 23 volte la massa del nostro sole e un oggetto misterioso 2,6 volte la massa del sole. Gli scienziati non sanno se l’oggetto misterioso fosse una stella di neutroni o un altro buco nero, ma in entrambi i casi ha stabilito un record, o come la stella di neutroni più pesante conosciuta o il buco nero più leggero conosciuto.

Quando le stelle più massicce muoiono, collassano sotto la loro stessa gravità e si lasciano dietro buchi neri; quando le stelle un po’ meno massicce muoiono, esplodono in una supernova e si lasciano dietro densi e morti resti di stelle chiamate stelle di neutroni. Per decenni, gli astronomi sono rimasti perplessi da un divario che si trova tra le stelle di neutroni e i buchi neri: la stella di neutroni più pesante conosciuta non è più di 2,5 volte la massa del nostro sole, o 2,5 masse solari, e il buco nero più leggero conosciuto ha circa cinque masse solari.

C’è qualcosa in mezzo a questo cosiddetto divario di massa?

Ora, in un nuovo studio del National Science Foundation’s Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) e del Virgo detector in Europa, gli scienziati hanno annunciato la scoperta di un oggetto di 2,6 masse solari, collocandolo saldamente nello spazio di massa. L’oggetto è stato trovato il 14 agosto 2019, in quanto si è fuso con un buco nero di 23 masse solari, generando una spruzzata di onde gravitazionali rilevate sulla Terra da LIGO e Virgo. Un articolo sulla rilevazione è stato accettato per la pubblicazione su The Astrophysical Journal Letters.

“Abbiamo aspettato decenni per risolvere questo mistero”, dice la coautrice Vicky Kalogera, professore della Northwestern University. “Non sappiamo se questo oggetto sia la stella di neutroni più pesante conosciuta, o il buco nero più leggero conosciuto, ma in entrambi i casi batte un record”.

“Questo cambierà il modo in cui gli scienziati parlano delle stelle di neutroni e dei buchi neri”, dice il coautore Patrick Brady, professore all’Università del Wisconsin, Milwaukee, e portavoce della LIGO Scientific Collaboration. “Il divario di massa potrebbe in realtà non esistere affatto, ma potrebbe essere dovuto a limitazioni nelle capacità di osservazione. Il tempo e altre osservazioni lo diranno”.

La fusione cosmica descritta nello studio, un evento soprannominato GW190814, ha portato ad un buco nero finale circa 25 volte la massa del sole (parte della massa fusa è stata convertita in un’esplosione di energia sotto forma di onde gravitazionali). Il buco nero appena formatosi si trova a circa 800 milioni di anni luce di distanza dalla Terra.

Prima che i due oggetti si fondessero, le loro masse differivano di un fattore 9, rendendo questo il rapporto di massa più estremo conosciuto per un evento di onde gravitazionali. Un altro evento LIGO-Virgo recentemente segnalato, chiamato GW190412, si è verificato tra due buchi neri con un rapporto di massa di circa 4:1.

Captate onde gravitazionali da un oggetto misterioso nello spazio
Captate onde gravitazionali da un oggetto misterioso nello spazio

“E’ una sfida per gli attuali modelli teorici formare coppie di oggetti compatti con un rapporto di massa così grande in cui il partner a bassa massa risiede nel gap di massa. Questa scoperta implica che questi eventi si verificano molto più spesso di quanto avevamo previsto, rendendo questo un oggetto a bassa massa davvero intrigante”, spiega Kalogera. “L’oggetto misterioso potrebbe essere una stella di neutroni che si fonde con un buco nero, una possibilità eccitante attesa teoricamente ma non ancora confermata a livello osservativo. Tuttavia, con una massa pari a 2,6 volte quella del nostro sole, supera le moderne previsioni sulla massa massima delle stelle di neutroni e può invece essere il buco nero più leggero mai rilevato”.

Questo grafico mostra le masse per i buchi neri rilevati attraverso le osservazioni elettromagnetiche (viola), i buchi neri misurati con le osservazioni gravitazionali (blu), le stelle di neutroni misurate con le osservazioni elettromagnetiche (giallo), e le stelle di neutroni rilevate attraverso le onde gravitazionali (arancione). GW190814 è evidenziato al centro del grafico come la fusione di un buco nero e di un oggetto misterioso circa 2,6 volte la massa del sole.
Questo grafico mostra le masse per i buchi neri rilevati attraverso le osservazioni elettromagnetiche (viola), i buchi neri misurati con le osservazioni gravitazionali (blu), le stelle di neutroni misurate con le osservazioni elettromagnetiche (giallo), e le stelle di neutroni rilevate attraverso le onde gravitazionali (arancione). GW190814 è evidenziato al centro del grafico come la fusione di un buco nero e di un oggetto misterioso circa 2,6 volte la massa del sole.

Quando gli scienziati della LIGO e di Virgo hanno individuato questa fusione, hanno immediatamente inviato un allarme alla comunità astronomica. Decine di telescopi terrestri e spaziali hanno seguito la ricerca delle onde luminose generate dall’evento, ma nessuno ha captato alcun segnale. Finora, queste controparti luminose dei segnali di onde gravitazionali sono state viste solo una volta, in un evento chiamato GW170817. L’evento, scoperto dalla rete LIGO-Virgo nell’agosto del 2017, ha comportato una collisione infuocata tra due stelle di neutroni che è stata successivamente testimoniata da decine di telescopi sulla Terra e nello spazio. Le collisioni di stelle di neutroni sono questioni disordinate con la materia lanciata verso l’esterno in tutte le direzioni e ci si aspetta quindi che risplendano di luce. Al contrario, le fusioni dei buchi neri, nella maggior parte dei casi, si pensa che non producano luce.

Secondo gli scienziati della LIGO e di Virgo, l’evento dell’agosto 2019 non è stato visto dai telescopi basati sulla luce per alcune possibili ragioni. In primo luogo, questo evento era sei volte più lontano della fusione osservata nel 2017, rendendo più difficile la captazione dei segnali luminosi. In secondo luogo, se la collisione ha coinvolto due buchi neri, probabilmente non avrebbe brillato di luce. In terzo luogo, se l’oggetto era in realtà una stella di neutroni, il suo partner 9 volte più massiccio avrebbe potuto inghiottirlo intero; una stella di neutroni consumata intera da un buco nero non avrebbe emesso alcuna luce.

“Penso a Pac-Man che mangia un puntino”, dice Kalogera. “Quando le masse sono altamente asimmetriche, la stella di neutroni più piccola può essere mangiata in un solo boccone”.

Come potranno mai i ricercatori sapere se l’oggetto misterioso era una stella di neutroni o un buco nero? Le future osservazioni con LIGO, Virgo, ed eventualmente altri telescopi potrebbero cogliere eventi simili che aiuterebbero a rivelare se esistono altri oggetti nel divario di massa.

“Questo è il primo scorcio di quella che potrebbe essere una nuova popolazione di oggetti binari compatti”, dice Charlie Hoy, membro della LIGO Scientific Collaboration e studente laureato all’Università di Cardiff. “Quello che è davvero emozionante è che questo è solo l’inizio. Man mano che i rilevatori diventano sempre più sensibili, osserveremo ancora di più questi segnali, e saremo in grado di individuare le popolazioni di stelle di neutroni e buchi neri nell’universo”.

“Il divario di massa è stato un interessante rompicapo per decenni, e ora abbiamo rilevato un oggetto che si inserisce proprio al suo interno”, dice Pedro Marronetti, direttore del programma di fisica gravitazionale della National Science Foundation (NSF). “Questo non può essere spiegato senza sfidare la nostra comprensione della materia estremamente densa o di ciò che sappiamo sull’evoluzione delle stelle. Questa osservazione è l’ennesimo esempio del potenziale di trasformazione del campo dell’astronomia delle onde gravitazionali, che porta alla luce nuove intuizioni ad ogni nuova scoperta”.

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